了解ADC信号链中放大器噪声对总噪声的贡献
当模数转换器(adc)的模拟输入被驱动至额定满量程输入电压时，adc提供优质性能。但在许多应用中，最大可用信号与额定电压不同，可能需要调整。用于满足这一要求的器件之一是可变增益放大器(vga)。了解vga如何影响adc的性能，将有助于优化整个信号链的性能。
本文分析一个采用双通道16位、125/105/80 msps、流水线adcad9268和超低失真中频vgaad8375的电路中的噪声。信号链包括一个vga（在+6 db增益设置下使用）、一个五阶巴特沃兹低通滤波器（–3 db滚降频率为100 mhz）和adc。本文将给出放大器和滤波器的噪声计算，因为这些噪声决定adc在目标频段内的动态性能。
问题
许多采用高速adc的实际应用都需要某种驱动器、放大器或增益模块，用以将输入信号缩放到满量程模拟输入范围1 ，确保获得最佳 信噪比 (snr)和无杂散动态范围(sfdr)。此外，差分放大器也可以将单端信号转换为差分信号来驱动adc。这些器件都是有源器件，因而会增加adc前端的噪声。此噪声在工作带宽内的积分会降低转换性能。
针对具体应用，适当adc的选择取决于许多因素，包括：
模拟输入范围
输入频率/带宽
所需分辨率/snr
所需sfdr
某些应用同时要求高动态范围和高分辨率。ad9268在70 mhz中频提供78.2 dbfs（db相对于满量程）的snr和88 dbc的sfdr，非常适合此类应用。
在系统层面，adc前端可以使用放大器、变压器或巴伦，但使用放大器的实现方案最为常见。使用放大器的原因可以是下面的一条或几条：
为输入信号提供增益以提高adc分辨率。
缓冲或变换输入源与adc之间的阻抗。
将单端输入信号转换为差分输出信号。
ad8375 vga可以用来将单端信号转换为差分信号，同时它能在不同增益设置下保持高线性度和一致的噪声性能。这些特性使它成为在较高中频下驱动adc的上好选择。糟糕的是，信号链中的有源器件（即放大器），可能会限制adc的性能。
示例
图1给出了噪声计算所用的电路拓扑结构。ad8375具有高阻抗差分输出(16 kω||0.8 pf)。放大器通过一个五阶低通抗混叠滤波器(aaf)与adc接口，该aaf具有100 mhz带宽和150 ω输入/输出阻抗。图1所示电路的频率响应如图2所示。
图1. ad8375、aaf和ad9268信号链
图2. ad8375、aaf和ad9268信号链的频率响应
性能
系统设计师不会期望驱动adc输入端的放大器降低系统的总体动态性能，但针对某一应用选择的驱动器和adc组合，并不意味着它能在另一应用中提供同样出色的性能。利用本文所述技术，系统工程师可以在选择放大器之前估计预期的性能。
图3显示了两种不同的设置。图3(a)利用无源耦合连接转换器，是客户评估板的默认选项。无源前端网络利用变压器或巴伦，以及一个滚降频率约为200 mhz的无源低通滤波器，将单端信号转换为差分信号。图3(b)显示的可选放大器路径。这两种设置贡献的噪声比较如下。利用低中频(10 mhz)时的单音快速傅里叶变换(fft)来计算放大器增加的噪声。
图3. 典型adc前端：(a) 无源；(b) 有源
噪声分析通常使用两种技术，但每种技术都很麻烦。噪声谱密度(nsd)定义单位带宽的噪声功率。对于adc，其单位为均方dbm/hz或dbfs/hz；对于放大器，其单位为均方根nv/√hz。用放大器驱动adc时，这种单位的不一致性构成系统噪声计算的障碍。
噪声系数(nf)是输入snr与输出snr的对数比，用db表示。这一特性通常为rf工程师所用，在纯rf环境下很有意义，但在带adc的信号链中使用nf计算，可能会导致令人误解的结果。2
另一种更有效的技术是对噪声密度进行“反归一化”处理，将其表示为均方根噪声电压，而不是均方电压。这种方法直截了当，能够对系统噪声进行清晰的分析，下面将予以说明。
图4和图5分别显示这两个前端的低频单音fft。注意，无源前端的snr为77.7-dbfs，而有源前端的snr为72.5-dbfs，比adc的预期性能低5.2 dbfs。
图4. 图3a电路10 mhz模拟输入音的fft
图5. 图3b电路10 mhz模拟输入音的fft
分析
图3a与图3b所示设置的不同是信号链中增加了放大器，因此可以放心地说，性能降低是由放大器的噪声引起的。下面的计算有助于了解放大器带来的噪声。
首先，按照数据手册的规定，使用转换器的满量程差分输入电压。将峰峰值电压除以2√2得到均方根电压，即0.707 v rms。
(1)
基于adc在10 mhz时的典型snr，转换器的噪声贡献为
(2)
(3)
using vnoise, adc = 92.2 μv rms， 带放大器前端的系统snr为 = 72.5 dbfs, 利用公式3计算系统噪声得到168 μv rms。
从公式4得到的系统噪声是adc和vga的合并噪声。放大器噪声可以利用公式5计算，结果为140 μv rms。这表明，放大器噪声至少比adc噪声大50%，因此它是系统交流性能的限制因素。
注意，必须判断计算得到的vnoise, amp值是否与放大器的数据手册一致。在150 ω差分输出阻抗下，额定噪声谱密度约为20 nv/√hz。
虽然数据手册声称vga的噪声基本上不随增益而变化，但此噪声会随负载而变化，因此噪声谱密度应根据放大器输出驱动的总阻抗进行缩放。放大器的差分输出阻抗很大(16 kω||0.8 pf)，因此放大器看到的阻抗（见图1）可以计算如下：
[10 Ω + (300 Ω||150 Ω||3.5 kΩ)] = 107 Ω.
利用此数值，本应用中ad8375的减额噪声谱密度可以通过公式6计算：
(6)
注意，利用实际滤波器计算系统噪声时，噪声带宽的形状与理想滤波器不同。频率响应的这种差别用“形状因子”这一术语来定义，反映滚降区中的噪声。形状因子取决于滤波器的阶数，是噪声带宽与–3 db带宽的比值3。滤波器的极点越多，形状因子越接近1。这一关系可从表1看出。
表1. 系统阶数与形状因子的关系
系统阶数 形状因子
1 1.57
2 1.11
3 1.05
4 1.03
5 1.02
图1示例的形状因子为1.02。利用公式6计算放大器注入的噪声：
vga注入系统的这一估计噪声值与利用公式5算得的测量值非常吻合，证明由ad8375和ad9268组成的信号链的性能主要取决于放大器。
结束语
许多情况下，系统信号链需要一个放大器（vga或增益模块）来将满量程信号驱动到adc。系统设计师必须了解不同放大器选择导致的adc性能降低情况。利用所选放大器和adc进行设计之前，设计师可以利用本文所述的方法计算放大器的噪声分布，估计预定系统实现方案的预期动态性能（通过snr表示）。
TFT屏幕
瑞盟MS51xx系列芯片高精准应用于机器视觉行业
SemperNOR闪存正式推出,为用户提供最好的安全性和可靠性
YB2411高输入电压DCDC降压芯片-YUCAN
千寻位置的时空智能技术为智慧出行间接赋能
了解ADC信号链中放大器噪声对总噪声的贡献
24V转5V降压芯片FS2455，PCB布局图册
华为nova5 Pro首销火爆 人像超级夜景自拍功能引爆市场创纪录
led护眼灯真的护眼吗
低压配电系统的构成和接地形式
如何在EAGLE CAD中编写一个ULP
分享一个电网倾角计电路
禾大科技自主研发新型灌溉机器人助力智慧农业
合纵科技成立锂电板块新公司
74％的5G智能手机用户每周通过智能设备网购至少一次
中国制造业打破“山寨”该怎么做
什么是无化学PCB制造和装配
东芝与MikroElektronika展开合作，为电机驱动IC开发评估板
5G网络技术对医疗保健行业产生的影响
CMOS图像传感器
本文分析一个采用双通道16位、125/105/80 msps、流水线adcad9268和超低失真中频vgaad8375的电路中的噪声。信号链包括一个vga（在+6 db增益设置下使用）、一个五阶巴特沃兹低通滤波器（–3 db滚降频率为100 mhz）和adc。本文将给出放大器和滤波器的噪声计算，因为这些噪声决定adc在目标频段内的动态性能。
问题
许多采用高速adc的实际应用都需要某种驱动器、放大器或增益模块，用以将输入信号缩放到满量程模拟输入范围1 ，确保获得最佳 信噪比 (snr)和无杂散动态范围(sfdr)。此外，差分放大器也可以将单端信号转换为差分信号来驱动adc。这些器件都是有源器件，因而会增加adc前端的噪声。此噪声在工作带宽内的积分会降低转换性能。
针对具体应用，适当adc的选择取决于许多因素，包括：
模拟输入范围
输入频率/带宽
所需分辨率/snr
所需sfdr
某些应用同时要求高动态范围和高分辨率。ad9268在70 mhz中频提供78.2 dbfs（db相对于满量程）的snr和88 dbc的sfdr，非常适合此类应用。
在系统层面，adc前端可以使用放大器、变压器或巴伦，但使用放大器的实现方案最为常见。使用放大器的原因可以是下面的一条或几条：
为输入信号提供增益以提高adc分辨率。
缓冲或变换输入源与adc之间的阻抗。
将单端输入信号转换为差分输出信号。
ad8375 vga可以用来将单端信号转换为差分信号，同时它能在不同增益设置下保持高线性度和一致的噪声性能。这些特性使它成为在较高中频下驱动adc的上好选择。糟糕的是，信号链中的有源器件（即放大器），可能会限制adc的性能。
示例
图1给出了噪声计算所用的电路拓扑结构。ad8375具有高阻抗差分输出(16 kω||0.8 pf)。放大器通过一个五阶低通抗混叠滤波器(aaf)与adc接口，该aaf具有100 mhz带宽和150 ω输入/输出阻抗。图1所示电路的频率响应如图2所示。
图1. ad8375、aaf和ad9268信号链
图2. ad8375、aaf和ad9268信号链的频率响应
性能
系统设计师不会期望驱动adc输入端的放大器降低系统的总体动态性能，但针对某一应用选择的驱动器和adc组合，并不意味着它能在另一应用中提供同样出色的性能。利用本文所述技术，系统工程师可以在选择放大器之前估计预期的性能。
图3显示了两种不同的设置。图3(a)利用无源耦合连接转换器，是客户评估板的默认选项。无源前端网络利用变压器或巴伦，以及一个滚降频率约为200 mhz的无源低通滤波器，将单端信号转换为差分信号。图3(b)显示的可选放大器路径。这两种设置贡献的噪声比较如下。利用低中频(10 mhz)时的单音快速傅里叶变换(fft)来计算放大器增加的噪声。
图3. 典型adc前端：(a) 无源；(b) 有源
噪声分析通常使用两种技术，但每种技术都很麻烦。噪声谱密度(nsd)定义单位带宽的噪声功率。对于adc，其单位为均方dbm/hz或dbfs/hz；对于放大器，其单位为均方根nv/√hz。用放大器驱动adc时，这种单位的不一致性构成系统噪声计算的障碍。
噪声系数(nf)是输入snr与输出snr的对数比，用db表示。这一特性通常为rf工程师所用，在纯rf环境下很有意义，但在带adc的信号链中使用nf计算，可能会导致令人误解的结果。2
另一种更有效的技术是对噪声密度进行“反归一化”处理，将其表示为均方根噪声电压，而不是均方电压。这种方法直截了当，能够对系统噪声进行清晰的分析，下面将予以说明。
图4和图5分别显示这两个前端的低频单音fft。注意，无源前端的snr为77.7-dbfs，而有源前端的snr为72.5-dbfs，比adc的预期性能低5.2 dbfs。
图4. 图3a电路10 mhz模拟输入音的fft
图5. 图3b电路10 mhz模拟输入音的fft
分析
图3a与图3b所示设置的不同是信号链中增加了放大器，因此可以放心地说，性能降低是由放大器的噪声引起的。下面的计算有助于了解放大器带来的噪声。
首先，按照数据手册的规定，使用转换器的满量程差分输入电压。将峰峰值电压除以2√2得到均方根电压，即0.707 v rms。
(1)
基于adc在10 mhz时的典型snr，转换器的噪声贡献为
(2)
(3)
using vnoise, adc = 92.2 μv rms， 带放大器前端的系统snr为 = 72.5 dbfs, 利用公式3计算系统噪声得到168 μv rms。
从公式4得到的系统噪声是adc和vga的合并噪声。放大器噪声可以利用公式5计算，结果为140 μv rms。这表明，放大器噪声至少比adc噪声大50%，因此它是系统交流性能的限制因素。
注意，必须判断计算得到的vnoise, amp值是否与放大器的数据手册一致。在150 ω差分输出阻抗下，额定噪声谱密度约为20 nv/√hz。
虽然数据手册声称vga的噪声基本上不随增益而变化，但此噪声会随负载而变化，因此噪声谱密度应根据放大器输出驱动的总阻抗进行缩放。放大器的差分输出阻抗很大(16 kω||0.8 pf)，因此放大器看到的阻抗（见图1）可以计算如下：
[10 Ω + (300 Ω||150 Ω||3.5 kΩ)] = 107 Ω.
利用此数值，本应用中ad8375的减额噪声谱密度可以通过公式6计算：
(6)
注意，利用实际滤波器计算系统噪声时，噪声带宽的形状与理想滤波器不同。频率响应的这种差别用“形状因子”这一术语来定义，反映滚降区中的噪声。形状因子取决于滤波器的阶数，是噪声带宽与–3 db带宽的比值3。滤波器的极点越多，形状因子越接近1。这一关系可从表1看出。
表1. 系统阶数与形状因子的关系
系统阶数 形状因子
1 1.57
2 1.11
3 1.05
4 1.03
5 1.02
图1示例的形状因子为1.02。利用公式6计算放大器注入的噪声：
vga注入系统的这一估计噪声值与利用公式5算得的测量值非常吻合，证明由ad8375和ad9268组成的信号链的性能主要取决于放大器。
结束语
许多情况下，系统信号链需要一个放大器（vga或增益模块）来将满量程信号驱动到adc。系统设计师必须了解不同放大器选择导致的adc性能降低情况。利用所选放大器和adc进行设计之前，设计师可以利用本文所述的方法计算放大器的噪声分布，估计预定系统实现方案的预期动态性能（通过snr表示）。
TFT屏幕
瑞盟MS51xx系列芯片高精准应用于机器视觉行业
SemperNOR闪存正式推出,为用户提供最好的安全性和可靠性
YB2411高输入电压DCDC降压芯片-YUCAN
千寻位置的时空智能技术为智慧出行间接赋能
了解ADC信号链中放大器噪声对总噪声的贡献
24V转5V降压芯片FS2455，PCB布局图册
华为nova5 Pro首销火爆 人像超级夜景自拍功能引爆市场创纪录
led护眼灯真的护眼吗
低压配电系统的构成和接地形式
如何在EAGLE CAD中编写一个ULP
分享一个电网倾角计电路
禾大科技自主研发新型灌溉机器人助力智慧农业
合纵科技成立锂电板块新公司
74％的5G智能手机用户每周通过智能设备网购至少一次
中国制造业打破“山寨”该怎么做
什么是无化学PCB制造和装配
东芝与MikroElektronika展开合作，为电机驱动IC开发评估板
5G网络技术对医疗保健行业产生的影响
CMOS图像传感器